ITTO20000672A1

ITTO20000672A1 - FOCUS HEAD FOR A LASER MACHINE.

Info

Publication number: ITTO20000672A1
Application number: IT2000TO000672A
Authority: IT
Inventors: Loris Scalzotto
Original assignee: Prima Ind Spa
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2002-01-04
Also published as: US20020003132A1; EP1170085A2; DE60105894D1; EP1170085B1; ATE277715T1; EP1170085A3; ITTO20000672A0; DE60105894T2; IT1320522B1; DE60105894T8

Abstract

A focusing head for a laser machine, comprising: a base (16) rotating about a first axis and carrying a first mirror (20) designed to receive a laser beam along said first axis (A); a body (18) which can turn with respect to the base about a second axis (B) and which carries a second mirror (24) designed to receive the laser beam deflected by the first mirror (20) along the second axis (B) and to deflect said beam along a third axis (F) ; a focusing lens (46) which receives said laser beam along the third axis (F) and sends a focused laser beam towards a beam-exit nozzle (30); and means for varying the position of the aforesaid lens (46) along the aforesaid third axis (F) downstream of the rotation points about the aforesaid axes (A, B). <IMAGE>

Description

TESTO DELLA DESCRIZIONE TEXT OF THE DESCRIPTION

La presente invenzione riguarda una testa di focalizzazione per una macchina laser, ad esempio per una macchina per il taglio o la saldatura laser di pezzi metallici. The present invention relates to a focusing head for a laser machine, for example for a machine for laser cutting or welding of metal pieces.

Normalmente, una testa di focalizzazione laser comprende un corpo di base portante uno specchio che nell'impiego riceve un raggio laser lungo un primo asse e lo deflette di 90° lungo un secondo asse..Una lente di focalizzazione riceve il raggio laser lungo il secondo asse ed invia un raggio laser focalizzato attraverso un ugello di uscita. Normally, a laser focusing head comprises a base body carrying a mirror which in use receives a laser beam along a first axis and deflects it 90 ° along a second axis. A focusing lens receives the laser beam along the second axis. axis and sends a focused laser beam through an outlet nozzle.

Nelle macchine per il taglio e la saldatura laser è spesso necessario variare. la posizione della zona focalizzata del raggio laser rispetto al pezzo in lavorazione. Nello stesso tempo, per ragioni di processo, occorre mantenere invariata la distanza fra l'ugello di uscita del raggio laser e la superfìcie del pezzo in lavorazione. In laser cutting and welding machines it is often necessary to vary. the position of the focused area of the laser beam relative to the workpiece. At the same time, for process reasons, the distance between the laser beam exit nozzle and the surface of the workpiece must be kept unchanged.

Per soddisfare tali esigenze, sono già state realizzate macchine laser per taglio piano (applicazioni cosiddette 2D) aventi teste di focalizzazione munite di mezzi atti a variare la distanza fra la zona di focalizzazione del raggio laser e l'ugello di uscita. Una soluzione nota prodotta dalla stessa Richiedente prevede di realizzare il corpo della testa in due sezioni distinte, una prima delle quali porta l'ugello e la seconda delle quali porta lo specchio e la lente di focalizzazione. In questa soluzione nota i mezzi per regolare la posizione della zona di focalizzazione del raggio laser agiscono in modo da variare la distanza fra le suddette sezioni del corpo nella direzione di uscita del raggio laser. To meet these requirements, laser machines for flat cutting (so-called 2D applications) have already been made having focusing heads equipped with means suitable for varying the distance between the laser beam focusing area and the outlet nozzle. A known solution produced by the same Applicant provides for making the body of the head in two distinct sections, one first of which carries the nozzle and the second of which carries the mirror and the focusing lens. In this known solution, the means for adjusting the position of the laser beam focusing zone act in such a way as to vary the distance between the aforementioned sections of the body in the direction of exit of the laser beam.

La presente invenzione si prefigge lo scopo di fornire una testa di focalizzazione del tipo sopra specificato adatta per lavorazioni su pezzi tridimensionali (applicazioni cosiddette 3D) e che abbia una struttura perfezionata più semplice e compatta della soluzione nota. The present invention aims to provide a focusing head of the type specified above suitable for machining on three-dimensional pieces (so-called 3D applications) and which has an improved structure that is simpler and more compact than the known solution.

Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto da una testa di focalizzazione laser avente le caratteristiche formanti oggetto della rivendicazione principale. According to the present invention, this object is achieved by a laser focusing head having the characteristics forming the subject of the main claim.

La presente invenzione verrà ora descritta dettagliatamente con riferimento ai disegni allegati, dati a puro titolo di esempio non limitativo, in cui: The present invention will now be described in detail with reference to the attached drawings, given purely by way of non-limiting example, in which:

- la figura 1 è una vista laterale schematica e parzialmente sezionata di una testa di focalizzazione laser secondo la presente invenzione, - la figura 2 è una sezione secondo la linea II-II della figura 1, - figure 1 is a schematic and partially sectioned side view of a laser focusing head according to the present invention, - figure 2 is a section along line II-II of figure 1,

- la figura 3 è una sezione analoga a quella di figura 2 con i principali componenti esplosi, - figure 3 is a section similar to that of figure 2 with the main components exploded,

- la figura 4 è una sezione esplosa della parte indicata dalla freccia IV nella figura 3, e - figure 4 is an exploded section of the part indicated by arrow IV in figure 3, and

- le figure 5 e 6 sono sezioni illustranti una seconda ed una terza forma di realizzazione di una testa di focalizzazione secondo la presente invenzione . Figures 5 and 6 are sections illustrating a second and a third embodiment of a focusing head according to the present invention.

Con riferimento alla figura 1, con 10 è indicata una testa di focalizzazione laser secondo la presente invenzione. La testa 10 è destinata ad essere connessa, in modo per sé noto, ad un elemento mobile 12 di una macchina laser. Nel caso in cui la macchina laser ha una struttura di tipo cartesiano, l'elemento mobile 12 è suscettibile di essere spostato lungo tre direzioni fra loro ortogonali indicate nella figura 1 con X, Y e Z. La testa 10 può essere collegata all'elemento mobile 12 in modo girevole attorno ad un asse A, come indicato dalla freccia 14. With reference to Figure 1, 10 indicates a laser focusing head according to the present invention. The head 10 is intended to be connected, in a way known per se, to a movable element 12 of a laser machine. If the laser machine has a Cartesian-type structure, the movable element 12 can be moved along three mutually orthogonal directions indicated in Figure 1 with X, Y and Z. The head 10 can be connected to the element movable 12 in a rotatable way around an axis A, as indicated by the arrow 14.

La testa 10 comprende una base 16 ed un corpo 18. La base 16 porta un primo specchio 20 che è destinato a ricevere un raggio laser lungo l'asse A ed a defletterlo di 90° lungo un asse B. Il corpo 18 è montato girevole rispetto alla base 16 attorno all'asse B. Mezzi di comando di per sé noti (non illustrati) sono previsti per comandare la rotazione del corpo 18 attorno all'asse B, come indicato dalla doppia freccia 22. Il corpo 18 porta un secondo specchio 24 che è destinato a ricevere un raggio laser lungo l'asse B ed a defletterlo di 90° lungo un asse F. In modo noto, gli specchi 20, 24 sono portati da rispettivi supporti 26, 28 fissati alla base 16 e, rispettivamente, al corpo 18. The head 10 comprises a base 16 and a body 18. The base 16 carries a first mirror 20 which is intended to receive a laser beam along the axis A and deflect it 90 ° along an axis B. The body 18 is rotatably mounted with respect to the base 16 about the axis B. Control means known per se (not illustrated) are provided for controlling the rotation of the body 18 around the axis B, as indicated by the double arrow 22. The body 18 carries a second mirror 24 which is intended to receive a laser beam along the axis B and to deflect it by 90 ° along an axis F. In a known way, the mirrors 20, 24 are carried by respective supports 26, 28 fixed to the base 16 and, respectively, to body 18.

Con riferimento alle figure 2 e 3, un ugello 30 è fissato in modo smontabile al corpo 18. Nell'esempio illustrato nelle figure, l'ugello 30 è munito di spine di riferimento 32 che si inseriscono in corrispondenti fori del corpo 18. L'ugello 30 può essere fissato al corpo 18 mediante viti (non illustrate) estendentisi in direzione parallela all'asse F, che si estendono attraverso fori passanti formati in una flangia 34 dell'ugello 30 ed impegnano rispettivi fori filettati previsti nel corpo 18. L'ugello 30 ha un'apertura passante 36 in corrispondenza della quale è fissato un elemento terminale 38 includente un sensore capacitivo atto a rilevare la distanza nella direzione dell'asse di uscita F fra una superficie frontale 40 dell'elemento terminale 38 e la superficie S di un pezzo in lavorazione, indicata con linea a tratti nella figura 2. Un gruppo porta-lente 42 è montato nel corpo 18 in modo mobile nella direzione dell'asse F. Come illustrato nella figura 4, il gruppo porta-lente 42 comprende preferibilmente un primo supporto 44, una lente 46 ed un secondo supporto 48. Il primo ed il secondo supporto 44, 48 sono fissati assialmente fra loro e trattengono la lente 46 in una sede 50 del primo supporto 44. Il fissaggio relativo fra i due supporti 44, 48 può essere ottenuto ad esempio mediante una filettatura esterna 52 del secondo supporto 48 che impegna una filettatura interna 53 del primo supporto 44. Nel primo supporto 44 è preferibilmente alloggiata una guarnizione di tenuta 51 che agisce sulla lente 46 per realizzare un contatto a tenuta di gas con la lente 46. With reference to Figures 2 and 3, a nozzle 30 is fixed in a detachable manner to the body 18. In the example shown in the figures, the nozzle 30 is provided with reference pins 32 which fit into corresponding holes in the body 18. The nozzle 30 can be fixed to the body 18 by means of screws (not shown) extending in a direction parallel to the axis F, which extend through through holes formed in a flange 34 of the nozzle 30 and engage respective threaded holes provided in the body 18.. nozzle 30 has a through opening 36 in correspondence with which a terminal element 38 is fixed including a capacitive sensor adapted to detect the distance in the direction of the output axis F between a front surface 40 of the terminal element 38 and the surface S of a workpiece, indicated by dashed line in Figure 2. A lens holder assembly 42 is mounted in the body 18 movable in the direction of the F axis. As illustrated in Figure 4, the lens holder assembly 42 c preferably includes a first support 44, a lens 46 and a second support 48. The first and second supports 44, 48 are axially fixed to each other and hold the lens 46 in a seat 50 of the first support 44. The relative fixing between the two supports 44, 48 can be obtained for example by means of an external thread 52 of the second support 48 which engages an internal thread 53 of the first support 44. A sealing gasket 51 is preferably housed in the first support 44 which acts on the lens 46 to make a contact gas-tight with lens 46.

Con riferimento alle figure 3 e 4, il gruppo porta-lente 42 presenta una filettatura esterna 54, formata ad esempio sul primo supporto 44, che impegna una filettatura interna 56 di una madrevite 58 portata in modo girevole attorno all'asse F dal corpo 18. La madrevite 58 è azionata in rotazione da un motore elettrico 60 portato dal corpo 18. Nell'esempio illustrato nelle figure il meccanismo di trasmissione fra il motore 60 e la madrevite 58 comprende un pignone dentato 62 montato sull'albero di uscita del motore 60 ed ingranante con una dentatura esterna 64 della madrevite 58. Si comprenderà che la rotazione della madrevite 58, comandata dal motore 60, produce un movimento del gruppo porta-lente 42 lungo l'asse F. Tale movimento avvicina od allontana la lente 46 rispetto allo specchio 24 e modifica la distanza fra la zona di focalizzazione del raggio laser e la superficie frontale 40 dell'elemento terminale 38. Questa regolazione è utile soprattutto per spostare la zona di focalizzazione del raggio laser rispetto al pezzo da lavorare, senza tuttavia variare la distanza fra la superficie frontale 40 dell'elemento terminale 38 e la superficie S del pezzo. With reference to Figures 3 and 4, the lens-holder assembly 42 has an external thread 54, formed for example on the first support 44, which engages an internal thread 56 of a nut screw 58 rotatably carried around the axis F by the body 18 The nut screw 58 is rotated by an electric motor 60 carried by the body 18. In the example shown in the figures, the transmission mechanism between the motor 60 and the nut screw 58 comprises a toothed pinion 62 mounted on the output shaft of the motor 60. and meshing with an external toothing 64 of the nut screw 58. It will be understood that the rotation of the nut screw 58, controlled by the motor 60, produces a movement of the lens-holder assembly 42 along the axis F. This movement brings the lens 46 closer or further away with respect to the mirror 24 and modifies the distance between the laser beam focusing area and the front surface 40 of the terminal element 38. This adjustment is especially useful for moving the focusing area. one of the laser beam with respect to the workpiece, without however varying the distance between the front surface 40 of the terminal element 38 and the surface S of the workpiece.

Di preferenza, l'ugello 30 comprende una guarnizione di tenuta 66 che stabilisce un contatto a tenuta di gas con una porzione tubolare 68 del gruppo porta-lente 42. Durante il funzionamento, in modo di per sé noto, in una camera 70 dell'ugello 30 viene iniettato gas di trattamento sotto pressione che fuoriesce, insieme al raggio laser, da un'apertura 72 (figura 3) dell'elemento terminale 38. Il gas sotto pressione produce una forza diretta verso l'alto sulla lente 46. Questa forza dipende dalla pressione di alimentazione del gas e può raggiungere valori dell'ordine di 2700 N. Uno dei vantaggi del gruppo porta-lente secondo la presente invenzione consiste nel fatto che il meccanismo di trasmissione del movimento al gruppo porta-lente è irreversibile. Di conseguenza, la forza che agisce sulla lente 46 si scarica sul corpo 18 senza produrre alcuno spostamento del gruppo porta-lente 42. Il gruppo porta-lente 42 si sposta solo quando vi è un comando positivo tramite il motore 60 e la mancanza di alimentazione elettrica al motore non modifica la posizione preesistente della lente 46. Preferably, the nozzle 30 comprises a sealing gasket 66 which establishes a gas-tight contact with a tubular portion 68 of the lens-holder assembly 42. During operation, in a per se known manner, in a chamber 70 of the nozzle 30, treatment gas is injected under pressure which escapes, together with the laser beam, from an opening 72 (figure 3) of the terminal element 38. The gas under pressure produces an upward force on the lens 46. This force it depends on the gas supply pressure and can reach values of the order of 2700 N. One of the advantages of the lens-holder unit according to the present invention consists in the fact that the mechanism for transmitting movement to the lens-holder unit is irreversible. Consequently, the force acting on the lens 46 is discharged onto the body 18 without producing any displacement of the lens-holder assembly 42. The lens-holder assembly 42 moves only when there is a positive command via the motor 60 and the lack of power supply. to the motor does not change the pre-existing position of the lens 46.

La presente invenzione consente di regolare la posizione del punto focale del raggio laser con una struttura molto semplice e con masse in movimento molto ridotte. Il sistema secondo la presente invenzione consente inoltre di smontare il gruppo porta-lente 42 (ad esempio per sostituirlo con un gruppo porta-lente di tipo diverso) in modo estremamente semplice. Per effettuare tale smontaggio, è sufficiente rimuovere le viti che fissano l'ugello 30 al corpo 18, rimuovere-l'ugello 30 e quindi attivare il motore elettrico 60 nel verso che produce uno spostamento verso il basso del gruppo porta-lente. In questo modo, il gruppo porta-lente 42 viene espulso spontaneamente dal corpo 18 senza dover utilizzare attrezzi. Il rimontaggio del gruppo porta-lente viene effettuato in modo altrettanto semplice dato che è sufficiente posizionare il nuovo gruppo porta-lente 42 all'interno del corpo 18 ed attivare il motore 60 nel verso che comanda uno spostamento verso l'alto del gruppo porta-lente. Successivamente, si procede con il montaggio dell'ugello 30 ed il suo fissaggio al corpo 18 mediante il serraggio delle apposite viti . The present invention allows to adjust the position of the focal point of the laser beam with a very simple structure and with very small moving masses. The system according to the present invention also allows the lens-holder assembly 42 to be disassembled (for example to replace it with a lens-holder assembly of a different type) in an extremely simple way. To carry out this disassembly, it is sufficient to remove the screws which fix the nozzle 30 to the body 18, remove the nozzle 30 and then activate the electric motor 60 in the direction which produces a downward displacement of the lens-holder assembly. In this way, the lens-holder assembly 42 is spontaneously expelled from the body 18 without having to use tools. The reassembly of the lens-holder assembly is carried out in an equally simple way since it is sufficient to position the new lens-holder assembly 42 inside the body 18 and activate the motor 60 in the direction that commands an upward movement of the lens-holder assembly. lens. Subsequently, one proceeds with the assembly of the nozzle 30 and its fixing to the body 18 by tightening the appropriate screws.

Le figure 5 e 6 illustrano, rispettivamente, una seconda ed una terza forma di realizzazione della testa secondo l'invenzione. I particolari corrispondenti a quelli precedentemente descritti sono indicati con gli stessi riferimenti numerici. Figures 5 and 6 illustrate, respectively, a second and a third embodiment of the head according to the invention. The details corresponding to those previously described are indicated with the same numerical references.

Nella forma di realizzazione di figura 5 il gruppo porta-lente 42 è sostanzialmente identico a quello descritto con riferimento alle figure 2-4. L'unica differenza è che in questo caso il gruppo porta-lente 42 è disposto fra il primo specchio 20 ed il secondo specchio 24 ed è mobile rispetto al corpo 18 nella direzione dell'asse B. In the embodiment of Figure 5, the lens-holder assembly 42 is substantially identical to that described with reference to Figures 2-4. The only difference is that in this case the lens-holder assembly 42 is arranged between the first mirror 20 and the second mirror 24 and is movable with respect to the body 18 in the direction of the B axis.

Nella forma di realizzazione illustrata nella figura 6, la base 16 porta un cannotto 74 girevole attorno all'asse B e comandato da un motore diretto 76. Il corpo 18 portante il secondo specchio 24 è mobile rispetto al cannotto 74 in una direzione rettilinea coincidente con l'asse B. Per i movimenti di rotazione attorno all'asse B il corpo 18 è solidale al cannotto 74. Un secondo motore diretto 78 comanda il movimento del corpo 18 nella direzione indicata dalla doppia freccia 80. La struttura della testa illustrata nella figura 6 è descritta in dettaglio nella domanda di brevetto italiana n. T02000A000252 della stessa Richiedente. Nella forma di realizzazione illustrata nella figura 6 la lente di focalizzazione 46 è fissa rispetto al cannotto 74. Il movimento del secondo specchio 24 nella direzione indicata dalla freccia 80 permette di variare la posizione della zona di focalizzazione del raggio laser rispetto all'ugello di uscita in modo analogo a quanto si ottiene muovendo la lente rispetto allo specchio. In the embodiment illustrated in Figure 6, the base 16 carries a sleeve 74 rotatable around the axis B and controlled by a direct motor 76. The body 18 carrying the second mirror 24 is movable with respect to the sleeve 74 in a rectilinear direction coinciding with axis B. For rotational movements around axis B, the body 18 is integral with the sleeve 74. A second direct motor 78 controls the movement of the body 18 in the direction indicated by the double arrow 80. The structure of the head illustrated in the figure 6 is described in detail in the Italian patent application n. T02000A000252 of the same Applicant. In the embodiment illustrated in Figure 6, the focusing lens 46 is fixed with respect to the sleeve 74. The movement of the second mirror 24 in the direction indicated by the arrow 80 allows the position of the focusing area of the laser beam to be varied with respect to the outlet nozzle. in a similar way to what is obtained by moving the lens with respect to the mirror.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di costruzione e le forme di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione così come definita dalle rivendicazioni che seguono. Naturally, the principle of the invention remaining the same, the details of construction and the embodiments may be widely varied with respect to those described and illustrated without thereby departing from the scope of the present invention as defined by the following claims.

Claims

CLAIMS 1. Focusing head for a laser machine, comprising: - a base (16) carrying a first mirror (20) adapted to receive a laser beam along a first axis (A), - a body (18) rotatable with respect to the base (16) around a second axis (B) 'and carrying a second mirror (24) adapted to receive along the second axis (B) the laser beam deflected by the first mirror (20) and deflecting it along a third axis (F) towards a nozzle (38), - a focusing lens (46), e - means for varying the relative position between the aforesaid lens (46) and the nozzle (38).

Focusing head according to claim 1, comprising a lens-holder assembly (42) including at least one support (44, 48) movable with respect to the body (18).

3. Focusing head according to claim 2, characterized in that the aforementioned support (44, 48) of the lens-holder assembly (42) is movable with respect to the body (18) along the aforementioned third axis (F).

4. Focusing head according to claim 2, characterized in that the aforementioned support (44, 48) of the lens-holder assembly (42) is movable with respect to the body (18) along the aforementioned second axis (B).

5. Focusing head according to claim 2, wherein the aforementioned lens-holder assembly (42) comprises an external thread (54) which engages an internal thread (56) of a nut screw (58) carried by the body (18) so rotatable around the aforementioned second axis (F).

6. Focusing head according to claim 5, wherein said nut screw (58) has an external toothing (64) which engages a toothed pinion (62) connected to an output shaft of an electric motor (60).

7. Focusing head according to claim 2, comprising sealing means (66) for establishing a gas-tight connection between said nozzle (30) and a tubular portion (68) of the lens-holder assembly (42).

8. Focusing head according to claim 1, characterized in that the focusing lens (46) is arranged between the first and second mirrors (20, 24) and in that means (78) are provided for controlling the movement of the body (18) along the aforementioned second axis (B). All substantially as described and illustrated and for the specified purposes.